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2020-10-21 19:00
月球磁场曾“挺身而出”,为了保护地球?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko,原文标题:《曾为地球“挺身而出”的磁场》,头图来自:视觉中国



巴黎天文台领导的Exoplanet Team数据显示,截至目前,人类已经确认了4363颗系外行星,它们分布在3224个行星系统中。然而,目前人类的搜寻范围在银河系中仍然非常有限。据估计,我们这个星系中存在着数千亿颗恒星,这些恒星大多都有围绕其运行的行星,许多行星还有属于自己的卫星。


太阳只是银河系中数千亿颗恒星中的一个,这些恒星绝大多数都有围绕其运行的行星。天文学家仍在继续搜寻我们周围的地外行星。| 图片来源:Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Science


在系外行星的探索研究中,科学家格外关心的一个问题便是星球的宜居性。一颗行星(或卫星)是否宜居取决于许多因素,其中关键的一个就是它是否有一个长期存在的强大的磁场。


行星的全球性磁场就像星球的“保护罩”一样,它通常产生于表面之下数千千米的液态核中,由核中的液态熔铁运动产生,一直延伸到遥远的太空中。现如今,我们的地球就拥有这样一个强大的全球性磁场,它保护着大气和低轨道卫星免受严酷的太阳辐射的伤害。


维持核中液体的运动需要能量,比如核中的热。当能量不足时,磁场就会随之消失。在缺乏全球性磁场的情况下,太阳风(来自太阳的辐射)的带电粒子在靠近行星时会产生电场,电场则会加速带电粒子离开大气,行星因此很难继续维持大气的存在。这一过程就在如今的火星上发生,它导致的后果是,火星失去了原有的大气。太阳风也会与大气相撞,把分子撞到太空中。这些对我们已知的生命形式来说绝对是个坏消息。


我们唯一的长期卫星——月球的情况似乎更为复杂。近日,一项发表于《科学进展》上的新研究表明,现在已经消失的月球磁场可能曾经保护了地球的大气,从而可能对40亿年前生命的诞生产生了影响。



根据主流的月球诞生假说,一个火星大小的天体“忒伊亚”与原始地球相撞,产生的碎片形成了地球与月球。在这种假设下,月球的铁核应该比忒伊亚的核要小得多,因此长期以来,人们一直认为月球是没有能力以这么小的核产生并维持一个全球性磁场。


上个世纪,阿波罗12号的宇航员带着磁强计登上了月球。在月球表面的测量显示,月球具有非常微弱的磁场,其强度仅为如今地球磁场的千分之一。然而,对月岩的分析则带来了一段关于月球的出乎意料的历史故事。


科学家会借助古老岩石中包含的小颗粒,来探测古老的磁场。这些颗粒在岩石形成时被磁化,从而储存下了当时、当地的磁场方向和强度等信息。但这并非易事,因为这种岩石非常罕见,提取它们的磁信号需要细致的实验室测量。


而对月岩进行的古磁场测量清楚地表明,在月球历史中最早的数亿年间,一定存在着一个月球磁层。在大约40亿年前,月球的磁场甚至比如今的地球磁场更强大,然而,到了32亿年前,月球磁场强度突然下降到了弱场状态。最终,它随着时间神秘地消失了。


月岩显示的月球磁场历史变化示意图。| 图片来源:Green, J. et al./Science Advances


同时,一些古地磁研究还显示,地球在至少35亿年前产生了磁场(也有研究认为,可能早在42亿年前磁场就已经产生),但古老磁场的平均强度大约只有如今地磁场的一半。


新的研究探索了地球和月球的早期磁场是如何相互作用的。在两个磁场的磁极方向同向或相反的情况下,研究人员分别对它们之间的相互作用进行了模拟。


有趣的是,模拟发现,两个磁场的相互作用会延伸到地球与太阳之间的近地太空区域,也就是说,地球与月球的耦合磁层在剧烈的太阳风来袭时,能提供一种强大的缓冲,帮助减缓了地球大气的损失。


模拟结果(磁场两极方向相反)的简化示意图。太阳风从左向右移动,地月耦合磁层提供了一种强大的缓冲。| 图片来源:Green, J. et al./Science Advances(图片有简略,原图可查阅论文)



利兹大学地球物理学家Christopher Davies和Jon Mound认为,这项新研究是迈出的有趣的第一步,它能帮助我们了解地球早期历史中磁场的更多细节,同时,认识这些影响对评估行星宜居性同样十分重要。但想要确切地知道更多信息,还需要进一步的建模以及更多的测量数据。


值得指出的是,强大的磁场也并非行星宜居性的保证,行星的表面和深部的环境也很重要,来自太空的影响也不可忽视。比如,太阳的亮度和太阳活动已经经历了数十亿年的演变,太阳风剥离大气的能力也在随之变化。


所有这些因素对行星宜居性的演变以及生命的进化,都可能带来影响,它们的性质和相互作用的方式也可能随着地质时间的推移而改变,而我们对此仍知之甚少。这就像一张迷人的拼图,值得庆幸的是,新研究在这张拼图上又增加了一小片。


参考来源:

[1]https://theconversation.com/life-on-earth-why-we-may-have-the-moons-now-defunct-magnetic-field-to-thank-for-it-148111

[2]https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eabc0865

[3]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/popular-information/


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Takeko

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